Разновидности строения кэш-памяти
Одним из основных вопросов увеличения эффективности кэш-памяти является следующий: должны ли команды и данные находится вместе в общей кэш-памяти. Очевидно, разработать смежную кэш-память, в которой хранятся и данные и команды проще. При этом вызов команд и данных автоматически уравновешивается. Тем не менее в настоящее время преобладает тенденция к применению разделенной кэш-памяти, когда команды хранятся в одной кэш-памяти, а данные в другой. Существует три основных способа организации кэш-памяти:
МП Команды Данные
МП Команды Данные
МП Команды Данные
КЭШ данных
КЭШ данных
КЭШ
КЭШ команд
КЭШ команд
Команды Данные ОП
Команды Данные ОП
Команды Данные ОП
«а» «в» «с»
Рис. 6.6 Разновидности строения кэш-памяти
В первом случае (а) кэш хранит как команды, так и адреса, а во втором случае (в) кэши разделены, но шина для данных и для команд одна общая (однофазная Гарвардская архитектура). Есть еще и третья возможность – полная Гарвардская архитектура (с), которая подразумевает не только хранение данных и команд в двух раздельных кэшах, но и наличие полностью раздельных шин. Разделенная кэш-память позволяет осуществлять параллельный доступ и к данным, и к операндам. К тому же, поскольку команды обычно не меняются во время исполнения программы, содержание командной кэш-памяти не приходится переписывать обратно в ОП.
После процессора i486, в процессорах Pentium используется раздельная кэш-память команд и данных емкостью по 8-16 Кбайт, что обеспечивает независимость обращений. За один такт из каждой кэш-памяти могут считываться два слова. При этом кэш-память данных построена на принципах двух кратного расслоения, что обеспечивает одновременное считывание двух слов, принадлежащих одной строке кэш-памяти. Для повышения эффективности перезагрузки кэш-памяти в процессоре применяется 64-битовая внешняя шина данных. В настоящее время между разделенной кэш-памятью первого уровня помещается кэш второго уровня и, даже, третьего уровня. Мы уже упоминали что наличие кэш-памяти существенно ограничивает полезную площадь кристалла (Alpha 21164 компании Digital имеет 50% площади кристалла под кэш), но это не вся правда. Для производительной работы кэша необходимы эффективные алгоритмы внеочередного и спекулятивного выполнения (выборки) команд. А это, в свою очередь, приводит к неоправданному усложнению архитектуры процессора. Сравните: процессор MIPS R5000 – простой RISC процессор, процессор MIPS R10000 – сложный CPU со всеми возможностями спекулятивного выполнения выборки и исполнения команд. Производительность его всего лишь на 1,6 раза выше, чем у R5000 , зато площадь больше в 3,4 раза. В последнее время идут интенсивные работы по интегрированию на кристалле динамической памяти с произвольной выборкой (DRAM) вместо кэшей на SRAM. Это направление получило название интеллектуальной памяти – IRAM. Интегрированная на кристалл оперативная память занимает такую же площадь, что и кэш SRAM, но способна вместить в 30-40 раз больше данных.
Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Распределению подлежит вся оперативная память, не занятая операционной системой. Обычно ОС располагается в самых младших адресах, однако может занимать и самые старшие адреса. Функциями ОС по управлению памятью являются: отслеживание свободной и занятой памяти, выделение памяти процессам и освобождение памяти при завершении процессов; вытеснение процессов из оперативной памяти на диск, когда размеры основной памяти не достаточны для размещения в ней всех процессов, и возвращение их в оперативную память, когда в ней освобождается место; а также настройка адресов программы на конкретную область физической памяти. Все выше перечисленное относится к логической организации памяти.
Выводы
Память – это одно из основных устройств ЭВМ, которое служит для хранения программ и данных.
Память ЭВМ - это совокупность всех запоминающих устройств, входящих в состав машины.
Память компьютера – система иерархическая, состоящая из нескольких уровней.
Внутренняя память может строиться на самых разнообразных физических принципах, но по своему функциональному назначению различается на ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ и др.
Современные ОЗУ изготавливаются в виде полупроводниковых микросхем двух типов – статических и динамических.
Для разрешения проблемы соответствия времени обработки данных в процессоре и времени обращения к ОП применяется структура многоуровневого буфера – кэш-память.
В современных компьютерах кэш-память обычно реализуется по двух и трехуровневой схеме. При этом кэш 1-го уровня выполняется непосредственно на кристалле процессора, а кэш 2-го уровня (3-го) устанавливается на системной плате.
Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы.